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CN111940895A - 基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加工的方法及装置 - Google Patents

基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加工的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光微加工技术，具体涉及一种基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加工的方法及装置。本发明方法为，引入一倾斜的水射流偏置于激光束，使得激光束作用于水射流撞击工件所形成的稳流区，在稳定且流动的水层中诱导等离子体加工工件表面。水射流偏置距离为：4‑10mm；水射流靶距为：10‑40mm；激光单脉冲能量为：3‑30μJ；激光脉冲频率为：2‑50kHz；加工速度为：0.5‑20mm/s；水射流流速为：6‑8mm/s；水射流冲击角度为：30°‑60°；水层厚度为：0.5‑4mm。本发明装置由水射流单元、喷嘴调节支架、激光加工单元构成。本发明允许更高的加工速度和脉冲频率，能够加工出深径比更大的沟槽，减小了加工热影响，同时提升了加工的质量和稳定性，是一种高效、低耗、稳定的精细微加工技术。

Description

基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加工的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光微加工技术，具体涉及一种基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加 工的方法及装置。
背景技术
激光诱导液体等离子体微加工技术是一种激光微加工技术，可实现金属、陶瓷、玻璃、 半导体等多种材料的表面处理。激光束聚焦于液体介质中，当激光束的峰值功率密度超过介 质的电离阈值时，会击穿液体介质诱导出等离子体。随后等离子继续吸收激光能量并作用于 工件上，在热能和机械能的共同作用下去除材料。相比较激光直写微加工技术，激光诱导液 体等离子体微加工能够获得更大的深径比、更光滑的加工表面以及更少的热影响区，同时能 对吸收率低的材料进行更好地加工。因此，激光诱导液体等离子体微加工有着很广泛的应用 前景。
传统的激光诱导液体等离子体微加工多在静止水中进行，工件置于静止水层中，等离子 体诱导在工件上方。但是，加工过程中工作台的移动会引起水层的晃动，进而影响激光聚集 及能量密度的稳定性，导致产生的等离子体能量不稳定。因此，激光诱导液体等离子体微加 工需要采用较小的扫描速度来减小水层晃动对加工结果的影响。同时，加工过程中伴随着大 量的气泡和残渣产生，影响激光在水介质中的传播，进而形成不稳定的等离子体。因此，加 工过程中常采用较低的脉冲频率，以保证脉冲间有足够长的间隔来消除水层中的气泡和残渣。 在之前的研究中，如[Pallav K，Ehmann K，2010.Feasibility oflaser induced plasma micro-machining(LIP-MM).Precision Assembly Technologiesand Systems 315，73-80]、[Saxena I， Ehmann K，2014，Multi-material capability oflaser induced plasma micromachining.Journal of Mico and Nano-Manufacturing，2，031005]、[Xingsheng Wang，Chenbin Ma，Chengyu Li，Min Kang，Ehmannn K，2018.Influence of pulse energy on machining characteristics in laser inducedplasma micro-machining.Joumal of Materials Processing Technology，262，85-94]等，为了形成稳 定的等离子体保证加工质量，扫描速度一般不超过2mm/s，脉冲频率小于10kHz。但较低 的扫描速度和较小的脉冲频率同样影响了加工效率，限制了激光诱导液体等离子体微加工的 实际应用。
发明内容
针对现有激光诱导液体等离子微加工技术的缺陷，本发明提供了一种基于流动水层的激 光诱导液体等离子体微加工的方法及装置，由此解决现有技术存在的加工速度和脉冲频率低 的问题，提高了加工效率和加工精度。
基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加工的方法为，引入一倾斜的水射流偏置于激 光束，使得激光束作用于水射流撞击工件形成的稳流区，在稳定且流动的水层中诱导等离子 体加工工件表面。水射流偏置距离即激光束作用点与后置的水射流冲击点之间距离的选择范 围：4mm-10mm；水射流靶距的选择范围：10mm-40mm；激光单脉冲能量的选择范围为3-30 μJ；激光脉冲频率的选择范围为2kHz-50kHz；加工速度的选择范围为0.5mm/s-20mm/s； 水射流流速选择范围为6mm/s-8mm/s；水射流冲击角度范围为30°-60°，水层厚度范围为 0.5-4mm。
实施激光诱导液体等离子体微加工方法的装置结构由水射流单元、喷嘴调节支架、激光 加工单元构成；水射流单元由水射流喷嘴、水管、水泵、蓄水缸构成；激光加工单元由激光 器、光学系统、支撑机架、XY轴移动平台、Z轴移动平台、电脑构成。
水射流单元装置，蓄水缸中的去离子水通过水泵产生流速为6mm-8mm/s的水流，经过 进水管流入喷嘴中，形成水射流冲击工件表面，工件放置于一个开口的容器中，加工结束后 的水流经过出水口流回蓄水缸中，实现去离子水的循环使用。通过手动调节喷嘴调节支架， 可以控制水射流的偏置距离、靶距以及冲击角度。
其中，使用皮秒脉冲激光，波长为532nm，激光经过反射镜和聚焦镜聚焦于薄水层中诱 导出等离子体。选用喷嘴内径应大于激光光斑直径，喷嘴内径最好为1mm。水射流的流速应 尽可能大来达到冲走残渣及气泡的作用，但又不能大量溅出，影响激光束的加工质量。
本发明的基本原理是：水射流冲击平面能形成一段薄而稳定的水层，激光聚焦于水层中 诱导出的等离子体与材料作用，引起材料的汽化与熔化。流动的水层能够冲走加工残渣以及 水中的气泡，同时达到更好的冷却效果。
本发明与现有激光诱导液体等离子体加工技术相比，允许更高的加工速度和脉冲频率， 产生更大的深径比，提升了加工效率，同时能够减小加工热影响，保证更高的加工质量及稳 定性。发明装置成本低，简单易操作，还能实现去离子水的循环使用，是一种高效、低耗、 稳定、近无损伤的精细微加工技术。
附图说明
图1为本发明的激光诱导液体等离子体微加工工艺原理图
图2为本发明的激光诱导液体等离子体微加工装置结构示意图
图3(a)为使用例1中相同参数的静止水层中激光诱导液体等离子体微加工工件表面质量实体 显微镜照片，(b)为a工件横截面剖面图。图3(c)为实施例1工件加工质量表面实体显微镜照 片，(d)为c工件横截面剖面图
图4(a)为使用例2中相同参数的静止水层中激光诱导液体等离子体微加工工件表面质量实体 显微镜照片，(b)为a工件横截面剖面图。图4(c)为实施例2工件加工质量表面实体显微镜照 片，(d)为c工件横截面剖面图
附图标记：1.激光束，2.聚焦透镜，3.等离子体，4.工件，5.喷嘴，6.水流，7.反射镜，8.XY 轴移动平台，9.Z轴移动平台，10.支撑台，11.蓄水缸，12.容器，13.喷嘴调节支架，d.喷嘴直 径，θ.水射流冲击角度，L.水射流靶距，x.水射流偏置距离，h.水层厚度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明作 进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实例只作为解释本发明，并不限定本 发明。
实施例1：
利用皮秒激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于不锈钢表面上方的流动水层，产生等离 子体，再利用等离子体加工不锈钢，实现对不锈钢的微加工。选择激光诱导液体等离子体微 加工工艺参数如下：
单脉冲能量：20μJ
脉冲频率：10kHz
扫描速度：2mm/s
水射流偏置距离：6mm
水射流冲击角度：45°
水射流流速：7mm/s
水射流靶距：28mm
水层厚度：1mm
工件安装：不锈钢片工件4固定在容器中的支撑台10上，容器12安装在XY轴移动平台8上，通过电脑控制完成工作进给，运动精度500nm，Z轴移动平台9上下运动实现激光 聚焦。
通过喷嘴调节支架13调节水射流偏置距离为6mm，水射流冲击角度45°，水射流靶距 28mm；通过电脑调节激光参数能量为20μJ，加工程序控制激光脉冲频率为10kHz，XY轴移动平台移动速度2mm/s；调节水泵选择水速为7mm/s的水射流，进行2次扫描。
加工过程中，可以在不影响加工的情况下增加适当的遮挡物防止水流的溅出。
根据图3、图4所示，在传统激光诱导液体等离子体加工中获得的沟槽宽度深度分别为 21.8μm和8μm，在流动水层中进行激光诱导液体等离子体加工可以获得19.7μm宽、24.4μm 深的沟槽。通过合理的选择激光参数和水射流偏置距离、水射流流速、水射流倾角和水射流 靶距等工艺参数，可以实现不锈钢的精细微加工。流动水层激光诱导液体等离子体微加工可 以获得更大的深径比，同时热影响区更小，加工连续性更好。
实施例2：
在更高的加工速度下进行激光诱导液体等离子体微加工，同时保证加工的质量及连续性， 选择激光诱导液体等离子体微加工工艺参数如下：
单脉冲能量：20μJ
脉冲频率：10kHz
扫描速度：10mm/s
水射流偏置距离：6mm
水射流冲击角度：45°
水射流流速：7mm/s
水射流靶距：28mm
水层厚度：1mm
工件安装：不锈钢片工件4固定在容器中的支撑台10上，容器12安装在XY轴移动平台8上，通过电脑控制完成工作进给，运动精度500nm，Z轴移动平台9上下运动实现激光 聚焦。
通过喷嘴调节支架13调节水射流偏置距离为6mm，水射流冲击角度45°，水射流靶距 28mm；通过电脑调节激光参数能量为20μJ，加工程序控制激光脉冲频率为10kHz，XY轴移动平台移动速度10mm/s；调节水泵选择水速为7mm/s的水射流，进行2次扫描。
加工过程中，可以在不影响加工的情况下增加适当的遮挡物防止水流的溅出。
根据图4所示，在传统激光诱导液体等离子体加工中获得的沟槽宽度深度分别为19μm 和2.3μm，在流动水层中进行激光诱导液体等离子体加工可以获得18.3μm宽、5.1μm深的 沟槽。在更高的加工速度下，流动水层激光诱导液体等离子体微加工具有更大的深径比，同 时热影响区更小，加工连续性更好。

Claims (2)

1.基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加工方法，其特征为引入一倾斜的水射流偏置于激光束，使得激光束作用于水射流撞击工件形成的稳流区，在稳定且流动的水层中诱导等离子体加工工件表面。水射流偏置距离即激光束作用点与后置的水射流冲击点之间距离的选择范围：4-10mm；水射流靶距的选择范围：10-40mm；激光单脉冲能量的选择范围为3-30μJ；激光频率的选择范围为2-50kHz；加工速度的选择范围为0.5-20mm/s；水射流流速选择范围为68mm/s；水射流冲击角度范围为30°-60°；水层厚度范围为0.5-4mm。
2.实施权利要求1加工方法的激光诱导液体等离子体微加工装置，由水射流单元、喷嘴调节支架、激光加工单元构成；水射流单元由水射流喷嘴、水管、水泵、蓄水缸构成；激光加工单元由激光器、光学系统、支撑机架、XY轴移动平台、Z轴移动平台、电脑构成。水射流单元装置，蓄水缸中的去离子水通过水泵产生一定流速的水流，经过进水管流入喷嘴中，形成水射流冲击工件表面，工件放置于一个开口的容器中，加工结束后的水流经过出水口流回蓄水缸中，实现去离子水的循环使用。通过手动调节支架，可以控制水射流的偏置距离、靶距以及冲击角度。
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